MỸ – Các nhà khoa học tại Đại học Northwestern (Northwestern University) đã phát triển một lớp phủ bảo vệ mới, giúp kéo dài tuổi thọ của pin mặt trời perovskite, giúp chúng thiết thực hơn khi ứng dụng bên ngoài phòng thí nghiệm.

Cô Yi Yang, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, đang thử nghiệm mẫu pin mặt trời mới trong phòng thí nghiệm

Mặc dù pin mặt trời perovskite hiệu quả hơn và chi phí thấp hơn so với pin mặt trời silicon truyền thống, nhưng cho đến nay, pin perovskite vẫn bị hạn chế do thiếu tính ổn định. Thông thường, pin mặt trời perovskite sử dụng lớp phủ gốc amoni để tăng hiệu suất. Mặc dù hiệu quả, nhưng các lớp gốc amoni bị phân hủy dưới tác động của môi trường, bao gồm nhiệt độ và độ ẩm.

Các nhà nghiên cứu ở vùng Tây Bắc đã phát triển một lớp phủ bền chắc hơn – dựa trên amidinium.

Trong các thí nghiệm, lớp phủ mới có khả năng chống phân hủy cao hơn 10 lần so với lớp phủ amoni thông thường. Và tốt hơn: các tế bào quang điện phủ amidinium cũng tăng gấp ba lần tuổi thọ T90 – thời gian cần thiết để hiệu suất của tế bào giảm 90% giá trị ban đầu khi tiếp xúc với điều kiện khắc nghiệt.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Science.

Ông Bin Chen từ đại học Northwestern, người đồng dẫn đầu nghiên cứu, đã nói rằng: “Lĩnh vực này đã nghiên cứu về tính ổn định của pin mặt trời perovskite trong một thời gian dài. Đến nay, hầu hết các công bố đều tập trung vào việc cải thiện tính ổn định của chính vật liệu perovskite, bỏ qua các lớp bảo vệ. Bằng cách cải thiện lớp bảo vệ, chúng tôi có thể nâng cao hiệu suất tổng thể của pin mặt trời”.

Ông Mercouri Kanatzidis từ đại học Northwestern, người đồng dẫn đầu nghiên cứu, đã nói rằng: “Công trình này giải quyết một trong những rào cản quan trọng đối với việc áp dụng rộng rãi các tế bào quang điện perovskite – tính ổn định trong điều kiện thực tế. Bằng cách gia cố hóa học các lớp bảo vệ, chúng tôi đã cải thiện đáng kể độ bền của các tế bào này mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất đặc biệt của chúng, đưa chúng ta đến gần hơn với một giải pháp thay thế thiết thực, chi phí thấp cho quang điện dựa trên silicon”.

Ông Bin Chen là Phó Giáo sư nghiên cứu hóa học tại trường Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học Weinberg (Weinberg College) thuộc đại học Northwestern. Ông đồng lãnh đạo nghiên cứu với ông Ted Sargent, Giáo sư Hóa học bà Lynn Hopton Davis và ông Greg Davis tại trường Weinberg, và giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Trường Kỹ thuật McCormick (McCormick School of Engineering), và ông Mercouri Kanatzidis, Giáo sư Hóa học Charles E. và Emma H. ​​Morrison tại trường Weinberg. Yi Yang, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ được ông Ted Sargent và ông Mercouri Kanatzidis đồng cố vấn, là tác giả đầu tiên của bài báo.

Perovskite như một sự thay thế cho silicon
Được sử dụng trong nhiều thập kỷ, silicon là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời. Mặc dù silicon bền và đáng tin cậy, nhưng nó vẫn đắt để sản xuất và đang tiến gần đến giới hạn hiệu suất. Trong quá trình tìm kiếm một pin mặt trời có chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu khám phá perovskite, một họ hợp chất tinh thể.

Mặc dù hứa hẹn là giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí cho silicon, perovskite có tuổi thọ tương đối ngắn. Tiếp xúc lâu dài với ánh sáng mặt trời, nhiệt độ thay đổi đột ngột, và độ ẩm đều khiến pin mặt trời perovskite bị xuống cấp theo thời gian.

Để vượt qua vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã thêm các phối tử amidinium, các phân tử ổn định có thể tương tác với perovskite để cung cấp khả năng thụ động hóa khuyết tật lâu dài và các hiệu ứng bảo vệ. Các phân tử gốc amoni có một nguyên tử nitơ được bao quanh bởi ba nguyên tử hydro và một nhóm chứa carbon, trong khi các phân tử gốc amidinium bao gồm một nguyên tử carbon trung tâm liên kết với hai nhóm amino. Vì cấu trúc của chúng cho phép các electron phân tán đều nên các phân tử amidinium có khả năng phục hồi tốt hơn trong điều kiện khắc nghiệt.

Cô Yi Yang đã nói rằng: “Các tế bào năng lượng mặt trời perovskite hiện đại thường có các phối tử amoni làm lớp thụ động. Nhưng amoni có xu hướng bị phân hủy dưới ứng suất nhiệt. Chúng tôi đã thực hiện một số phản ứng hóa học, để chuyển đổi amoni không ổn định thành amidinium ổn định hơn”.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện quá trình chuyển đổi này thông qua một quá trình được gọi là amidination, trong đó nhóm amoni được thay thế bằng nhóm amidinium ổn định hơn. Sự đổi mới này đã ngăn không cho các tế bào perovskite bị phân hủy theo thời gian – đặc biệt là khi tiếp xúc với nhiệt độ cực cao.

Kết quả phá kỷ lục
Pin mặt trời thu được đạt hiệu suất ấn tượng 26,3%, có nghĩa là nó đã chuyển đổi thành công 26,3% ánh sáng mặt trời hấp thụ thành điện. Pin mặt trời cũng giữ lại 90% hiệu suất ban đầu sau 1.100 giờ thử nghiệm trong điều kiện khắc nghiệt, chứng minh tuổi thọ T90 dài hơn gấp ba lần so với trước khi tiếp xúc với nhiệt và ánh sáng.

Những thí nghiệm này đánh dấu ví dụ mới nhất về hiệu suất pin mặt trời perovskite được cải thiện từ phòng thí nghiệm của ông Ted Sargent. Năm 2022, nhóm của ông Ted đã phát triển một pin mặt trời perovskite phá vỡ kỷ lục về hiệu suất năng lượng và điện áp. Năm 2023, nhóm của ông đã giới thiệu một pin mặt trời perovskite có cấu trúc đảo ngược, cũng cải thiện hiệu suất năng lượng của pin. Và đầu năm 2024, nhóm của ông Ted đã kết hợp tinh thể lỏng để giảm thiểu các khuyết tật trong màng perovskite, dẫn đến hiệu suất thiết bị được nâng cao.

Ông Ted Sargent, giám đốc Viện Paula M. Trienens về Phát triển Bền vững và Năng lượng (Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy), đã nói rằng: “Các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên perovskite có tiềm năng đóng góp vào quá trình khử carbon của nguồn cung cấp điện sau khi chúng tôi hoàn thiện thiết kế của chúng, đạt được sự kết hợp giữa hiệu suất và độ bền, và mở rộng quy mô của các thiết bị. Rào cản chính đối với việc thương mại hóa các tế bào năng lượng mặt trời perovskite là tính ổn định lâu dài của chúng. Nhưng do có sự khởi đầu sớm hơn nhiều thập kỷ, silicon vẫn có lợi thế ở một số lĩnh vực, bao gồm tính ổn định. Chúng tôi đang nỗ lực thu hẹp khoảng cách đó”.

Nghiên cứu này có liên quan trực tiếp đến Generate pillar – một trong sáu yếu tố của quá trình khử carbon của Viện Trienens. Là một phần của Generate pillar, đại học Northwestern cam kết xây dựng một loại hình sản xuất năng lượng mặt trời mới, bằng cách tập trung vào các tế bào quang điện đa điểm hiệu suất cao và vật liệu tế bào quang điện thế hệ tiếp theo. Ông Mercouri Kanatzidis là đồng chủ tịch khoa này, và Phó Giáo sư Bin Chen là người dẫn đầu triển khai.

Để xem các tin bài khác về “Pin”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online